专利名称：涡轮增压器和包括其的空气吸入系统及其制造和使用方法
技术领域：
本发明的示例性实施例涉及涡轮机壳体和包括该涡轮机壳体的涡轮增压器、及 使用该涡轮机壳体的方法，且更具体地涉及具有一体的废气门/排气再循环(EGR)出口 的涡轮机壳体、和包括该涡轮机壳体的涡轮增压器、及使用该涡轮机壳体的方法。
背景技术：
排气再循环(EGR)的有效使用对所有现代内燃发动机(包括柴油机和汽油机) 而言都是非常重要的。EGR的有效使用通常有助于通过这些发动机实现高功率输出而同 时还实现高燃料效率和经济性并且实现越来越严格的发动机排放要求的目标。在这些发 动机中也常常使用强制吸入(特别是包括涡轮增压器)以用于增大发动机进气空气流质量 和发动机功率输出。不过，涡轮增压器也由排气驱动，因而EGR和涡轮增压强制吸入的 高效用途使得有必要协同设计这些系统。涡轮增压的柴油机在使用可在EGR和排气流中获得的能量方面必须特别高效以 提高整体发动机效率和燃料经济性。要求柴油EGR系统将大量EGR传输到发动机进气 系统。为此，EGR系统必须通过该系统(包括流量控制阀、旁通阀和冷却器)提供足够 的压力变化，以将所希望的EGR流驱动到增压进气系统中。排气系统必须还提供适合的 排气能量而使得涡轮机具有足够的动力提供所希望的增压。典型的柴油发动机EGR系统 供应EGR的通道与各种排气系统部件分开。已经提出了与涡轮机壳体分开的EGR供应 通道；不过，由于使用肘管和类似物，这样的EGR供应通道与涡轮机涡壳内的期望废气 流动方向所成的角度通常小于最优角度，由此产生高流动损失和低效率，因而减小了所 能获得的以用于进气系统中的EGR流的量。这样的布置未提供足够的进气EGR量。在美国专利6,430,929中提出一种设计，其中将EGR出口与涡轮机蜗壳和EGR 阀相关联。这种设计使EGR出口切向地定位于蜗壳并且沿进入涡轮机壳体入口的流而大 致呈线性。这样，EGR出口位于蜗壳入口且EGR出口看起来是限定蜗壳入口。在此专 利中描述的涡轮增压器包括具有法兰肘管的EGR阀，其中法兰上的孔布置可被调节以定 向肘管从而适应于不同发动机布置。使用肘管在EGR出口和涡轮机入口的直列或线性布 置中可能也是必要的。不过，使用肘管构造具有随之而来的效率损失。专利‘929的涡 轮增压器还包括可变几何形状的喷嘴，用于增大EGR系统中的背压。可变喷嘴涡轮增压 器虽然可能有用，不过其成本显著高于具有固定喷嘴的涡轮增压器。进一步，通过关闭 可变喷嘴的涡轮机叶片所致的背压增大基本上抵不过所导致的进气空气增压的增加，使 得所希望的吸入系统中的EGR流的增大无法实现。因此，希望提供涡轮机壳体、涡轮增压器以及使用它们的进气系统及相关联的 使用方法，以增强可用于吸入系统的EGR而同时提供足够排气流以驱动涡轮机并且产生 所希望的增压和进入进气系统中的空气吸入，而无论涡轮增压器使用固定还是可变喷嘴 的涡轮机。
发明内容
根据本发明的示例性实施例，提供一种用于内燃发动机的涡轮增压器，包括 涡轮机，其包括附接到涡轮机轴的涡轮，所述涡轮和涡轮机轴被可旋转地设置在涡轮 机壳体中，涡轮机壳体包括涡轮机蜗壳导管，所述涡轮机蜗壳导管具有涡轮机蜗壳入口 和废气泄放阀/EGR导管入口，所述废气泄放阀/EGR导管入口与所述涡轮机蜗壳入口沿 所述涡轮机蜗壳导管在径向上分开并通向被连接到所述涡轮机蜗壳导管的EGR导管。所 述涡轮机蜗壳入口被构造成使从发动机接收的排气流体连通到所述涡轮，所述EGR导管 被构造成使所述排气流体连通到发动机进气导管。根据本发明的另一示例性实施例，提供一种用于内燃发动机的进气系统。进气 系统包括涡轮增压器，其包括涡轮机和压气机，所述涡轮机包括附接到涡轮机轴的 涡轮，所述涡轮和涡轮机轴被可旋转地设置在涡轮机壳体中，所述涡轮机壳体包括涡轮 机蜗壳导管，所述涡轮机蜗壳导管具有涡轮机蜗壳入口和废气泄放阀/EGR导管入口， 所述废气泄放阀/EGR导管入口与所述涡轮机蜗壳入口沿所述涡轮机蜗壳导管在径向上 分开并通向被连接到涡轮机蜗壳导管的EGR导管，所述涡轮机蜗壳入口被构造成使从发 动机接收的排气流体连通到所述涡轮，所述废气泄放阀/EGR导管被构造成使所述排气 流体连通到发动机进气导管。所述压气机包括附接到所述涡轮机轴的压气机轮，所述 压气机轮和涡轮机轴被可旋转地设置在压气机壳体中，所述压气机壳体包括压气机蜗壳 导管，所述压气机蜗壳导管具有压气机蜗壳入口和压气机蜗壳出口，所述压气机蜗壳出 口与所述发动机进气导管流体连通。进气系统还包括EGR阀，其能够至少在开启位置 与关闭位置之间切换并具有EGR阀入口和EGR阀出口，所述EGR阀入口与所述EGR导 管流体连通，所述EGR出口也与所述发动机进气导管流体连通，所述开启位置是从所述 EGR导管至所述发动机进气导管的完全流体连通并限定第一操作模式，在所述关闭位置 能够禁止从所述EGR导管至所述发动机进气导管的流体连通并限定第二操作模式，其中 在所述第一模式中，从所述EGR导管的EGR废气流被推进所述发动机进气导管内，在第 二模式中，加压空气流被推进发动机进气导管内。根据本发明的又一示例性实施例，提供一种使用用于内燃发动机的进气系统的 方法。所述方法包括提供具有涡轮增压器的内燃发动机，所述涡轮增压器与所述发动 机的进气歧管流体连通并被构造成向进气歧管提供具有第一压力的强制吸入空气流，所 述涡轮增压器包括涡轮机壳体，所述涡轮机壳体包括涡轮机蜗壳导管，所述涡轮机蜗 壳导管具有涡轮机蜗壳入口和废气泄放阀/EGR导管入口，所述废气泄放阀/EGR导管入 口与所述蜗壳入口沿所述涡轮机蜗壳导管在径向上间隔开并通向被设置在所述涡轮机壳 体上的EGR导管，所述EGR导管被构造成使EGR流流体连通到能够在开启位置与关闭 位置之间切换的EGR阀，所述开启位置能够使具有第二压力的所述EGR流流体连通到所 述进气歧管并限定第一操作模式，所述关闭位置能够禁止从所述EGR导管至所述进气歧 管的流体连通并限定第二操作模式，其中在所述第一模式中，所述第二压力大于所述第 一压力且流向所述发动机的EGR流被推进所述进气歧管内。所述方法还包括操作所述 发动机产生进入所述涡轮机蜗壳入口中的排气流。所述方法还包括在操作所述发动机 的同时选择所述第一模式或所述第二模式。通过以下结合附图详细描述的实施本发明的最佳模式，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点将显而易见。本发明还提供了以下方案方案1. 一种涡轮增压器，包括涡轮机，其包括附接到涡轮机轴的涡轮，所述涡轮和涡轮机轴被可旋转地设 置在具有涡轮机蜗壳导管的涡轮机壳体中，所述涡轮机蜗壳导管具有涡轮机蜗壳入口和 EGR导管入口，所述EGR导管入口与所述涡轮机蜗壳入口沿所述涡轮机蜗壳导管在径向 上间隔开并通向被连接到所述涡轮机蜗壳导管的EGR导管，所述涡轮机蜗壳入口构造成 使从发动机接收的排气流体连通到所述涡轮，所述EGR导管构造成使所述排气流体连通 到发动机进气导管。方案2.如方案1所述的涡轮增压器，其中，所述EGR导管具有EGR导管轴线， 所述涡轮机蜗壳导管具有涡轮机蜗壳导管轴线，所述EGR导管轴线被设置为与所述涡轮 机蜗壳导管轴线大致相切。方案3.如方案1所述的涡轮增压器，其中，所述EGR导管入口与所述涡轮机蜗 壳入口在径向上间隔开约80°至约270°的角度α。方案4.如方案1所述的涡轮增压器，其中，所述EGR导管具有的横截面面积与 所述EGR导管入口附近处的所述涡轮机蜗壳导管的横截面面积大致相等。方案5.如方案1所述的涡轮增压器，其中，所述EGR导管具有的横截面面积小 于所述EGR导管入口附近处的所述涡轮机蜗壳导管的横截面面积。方案6.如方案1所述的涡轮增压器，其中，所述蜗壳导管和EGR导管构成一体 的部件。方案7.如方案6所述的涡轮增压器，其中，所述一体的部件包括金属铸件。方案8.如方案1所述的涡轮增压器，其中，所述涡轮机进一步包括固定喷嘴或 可变喷嘴中的一种。方案9. 一种用于内燃发动机的进气系统，包括涡轮增压器，其包括涡轮机和压气机，所述涡轮机包括附接到涡轮机轴的涡 轮，所述涡轮和涡轮机轴被可旋转地设置在涡轮机壳体中，所述涡轮机壳体包括涡轮机 蜗壳导管，所述涡轮机蜗壳导管具有涡轮机蜗壳入口和EGR导管入口，所述EGR导管 入口与所述涡轮机蜗壳入口沿所述涡轮机蜗壳导管在径向上间隔开并通向被设置在所述 涡轮机壳体上的EGR导管，所述涡轮机蜗壳入口被构造成使从发动机接收的排气流流体 连通到所述涡轮，所述EGR导管被构造成使一部分所述排气流流体连通到发动机进气歧 管；所述压气机包括附接到所述涡轮机轴的压气机轮，所述压气机轮和涡轮机轴被可 旋转地设置在压气机壳体中，所述压气机壳体包括压气机蜗壳导管，所述压气机蜗壳导 管具有压气机蜗壳入口和压气机蜗壳出口，所述压气机蜗壳出口与所述发动机进气歧管 流体连通；EGR阀，其能够至少在开启位置与关闭位置之间切换并具有EGR阀入口和EGR 阀出口，所述EGR阀入口与所述EGR导管流体连通，所述EGR出口也与所述发动机进 气歧管流体连通，所述开启位置能够实现从所述EGR导管至所述发动机进气歧管的流体 连通并限定第一操作模式，所述关闭位置能够禁止从所述EGR导管至所述发动机进气歧 管的流体连通并限定第二操作模式，其中在所述第一模式中，来自所述EGR导管的EGR气体流被推进所述发动机进气歧管内。方案10.如方案9所述的进气系统，进一步包括混合器，其中，所述混合器与 所述EGR阀流体连通并被构造成从所述EGR阀接收EGR流；并且所述混合器还与压气 机流体连通，所述混合器被构造成从所述压气机接收强制吸入空气流，其中，所述混合 器与所述进气歧管流体连通，并被构造成接收所述EGR流和强制吸入空气流的混合物作 为来自所述混合器的强制吸入燃烧流。方案11.如方案9所述的进气系统，其中，所述EGR导管入口与所述蜗壳入口在 径向上间隔开约80°至约270°的角度α。方案12.如方案9所述的进气系统，其中，所述EGR导管入口具有的横截面面积 与所述EGR导管入口附近处的所述涡轮机蜗壳导管的横截面面积大致相等。方案13.如方案9所述的进气系统，其中，所述EGR导管入口具有的横截面面积 小于所述EGR导管入口附近处的所述涡轮机蜗壳导管的横截面面积。方案14.如方案9所述的进气系统，进一步包括具有排气口的内燃发动机，其 中所述涡轮机蜗壳入口与所述排气口流体连通。方案15.如方案9所述的进气系统，其中，所述EGR阀是能够在多个位置之间切 换的可变阀。方案16.如方案9所述的进气系统，其中，所述涡轮机进一步包括固定喷嘴或 可变喷嘴中的一种。方案17.—种使用用于内燃发动机的进气系统的方法，包括提供具有涡轮增压器的内燃发动机，所述涡轮增压器与所述发动机的进气歧管 流体连通并被构造成向所述进气歧管提供具有第一压力的强制吸入空气流，所述涡轮增 压器包括涡轮机壳体，所述涡轮机壳体包括涡轮机蜗壳导管，所述涡轮机蜗壳导管具 有涡轮机蜗壳入口和EGR导管入口，所述EGR导管入口与所述蜗壳入口沿所述涡轮机蜗 壳导管在径向上间隔开并通向被设置在所述涡轮机壳体上的EGR导管，所述EGR导管被 构造成使EGR流流体连通到能够在开启位置与关闭位置之间切换的EGR阀，所述开启位 置能够使具有第二压力的所述EGR流流体连通到所述进气歧管并限定第一操作模式，所 述关闭位置能够禁止从所述EGR导管至所述进气歧管的流体连通并限定第二操作模式， 其中在所述第一模式中，所述第二压力大于所述第一压力且流向所述发动机的EGR流被 推进所述进气歧管内；操作所述发动机产生进入所述涡轮机蜗壳入口中的排气流；在操作所述发动机的同时选择所述第一模式或所述第二模式。方案18.如方案17所述的方法，进一步包括选择所述涡轮机蜗壳入口与所述 EGR导管入口的径向间隔以获得预定EGR流。方案19.如方案17所述的方法，其中，所述EGR阀是能够在所述开启位置、 所述关闭位置和所述开启位置与所述关闭位置之间的多个部分开启位置之间切换的可变 阀，其中所述多个部分开启位置限定对应的多个操作模式；其中，所述方法进一步包 括选择所述多个操作模式中的一个，其中在所述第一操作模式和所述多个操作模式 中，所述第二压力大于所述第一压力，由此推进对应的多个EGR流进入所述发动机进气 导管。
方案20.如方案17所述的方法，其中，在所述第一模式，在将所述EGR流提供 到所述进气歧管时，所述涡轮增压器的效率降低，所述第一压力减小。
在以下对实施例的详细描述中，仅以示例方式例示出其它目的、特征、优点和 细节，这些详细描述参照附图进行，其中图1是如在此公开的强制吸入进气系统的示例性实施例的示意图；图2是如在此公开的用于涡轮增压器的涡轮机壳体的示例性实施例的正视图；图3是图2的涡轮机壳体的立体图；图4是如在此公开的图2所示涡轮机壳体和包括该涡轮机壳体的涡轮增压器的示 例性实施例的俯视图；图5是图4的涡轮机壳体和涡轮增压器的侧视图；图6是图5所示涡轮机壳体沿截面6-6所取的截面图；和图7是图2所示涡轮机壳体沿截面7-7所取的截面图；图8是图2所示涡轮机壳体沿截面8-8所取的截面图；图9是图2所示涡轮机壳体沿截面9-9所取的截面图；和图10是使用如在此所述的进气系统的示例性方法的流程图。
具体实施例方式本发明公开涡轮机壳体的示例性实施例、用于内燃发动机的包括涡轮机壳体的 涡轮增压器和空气吸入系统的示例性实施例、以及其相关使用方法，这增强了可用于空 气吸入系统的EGR，而同时提供了足够的排气流以驱动涡轮机并且产生所希望的增压和 进入进气系统的吸入空气流，而无论涡轮增压器使用固定还是可变喷嘴的涡轮机。本发明包括涡轮机壳体，涡轮机壳体具有废气泄放阀状的导管或通道，废气泄 放阀状导管或通道直接旁通或分流来自涡轮的排气能量的一部分并减小涡轮机级的有效 效率，这因而减小了可从压气机获得的进气空气流的增压压力并允许EGR流压力高于进 气空气流压力，由此推进EGR流进入进气空气流并与进气空气流相互混合以产生包括 EGR(包括预定量或流量的EGR)的燃烧空气流。废气泄放阀或EGR导管入口位于涡轮机蜗壳中，相关联的EGR导管一体地形成 在该涡轮机壳体中并与EGR系统相连使得EGR阀也有效地用作废气泄放阀。不过，在这 种情况下，术语废气泄放阀有些用词不当，这是因为，通过“废气泄放阀”分流的排气 实际上可用作EGR流。另一方面，通常可能会作为废气泄放阀流并同时绕过涡轮机蜗壳 和涡轮而通过车辆排气系统从车辆排放的排气反而被送入涡轮机蜗壳导管中，在此，一 部分可用作所希望的EGR流而其余部分可用于驱动涡轮，不过其效率相对于可从全部排 气流获得的效率有所降低。废气泄放阀可以附接到EGR导管的EGR阀(包括两个位置 (完全开启和关闭)EGR阀和可变位置EGR阀)的形式与EGR导管或流动通道相关联， 使得EGR阀用作废气泄放阀，EGR阀的开启动作也使废气泄放阀开启。当希望EGR流 支持燃烧过程时，发动机控制系统开启EGR阀。开启EGR阀同时会降低涡轮机效率和 推进EGR流。这种推进EGR流的协同相互作用是在此所公开涡轮机壳体以及涡轮增压器和包含该涡轮增压器的进气系统的有利之处。这种协同布置能够包括废气泄放阀功能 而同时还能够综合地平衡EGR流和强制吸入进气空气流的要求。本发明增强了可用于吸入系统的EGR，而同时提供足够的排气流以驱动涡轮机 并产生所希望的增压和吸入进气系统的空气，且有效地解决了如下问题当需要用涡轮 机蜗壳内的排气流作为EGR流时，由于涡轮机增压过度，就通过“废气泄放阀”直接从 涡轮机蜗壳内排放排气流来直接减小涡轮机的效率所造成的对EGR流的抑制。这减少了 能从排气流中获得的用于驱动涡轮和压气机轮的总能量，由此减小了涡轮机效率和增压 压力。这可用于例如防止产生不希望的进气空气增压压力，特别是通过使用可变喷嘴涡 轮机增大背压而产生的进气空气增压压力，这些背压被用于推进EGR流，但所述背压实 际上产生了增压压力的增加，这抵消了 EGR流中的增益，由此阻止EGR流进入到强制吸 入进气空气流中。虽然本发明与可变喷嘴涡轮机(VNT)结合起来非常有用，不过所公开 的装置和方法可与VNT和固定喷嘴涡轮机一起使用。本发明能够实现受控的、可重复 的、和暂时的涡轮机效率降低，而同时提高燃烧空气混合物中的EGR流。如图1中所示，根据本发明的示例性实施例，内燃发动机10包括包括涡轮增 压器14的强制吸入系统12;和EGR系统16，此二者分别将进气空气或EGR或者进气空 气与EGR的组合物或混合物供应到进气系统18。进气系统18包括EGR进气导管20， 其被构造成用于由箭头22表示的加压或强制吸入EGR流的流体连通；和发动机进气导管 24，其被构造为用于由箭头26表示的加压、强制吸入空气流的流体连通。EGR流22和 空气流26用于构成加压或强制吸入燃烧流28，以将加压、强制吸入空气或EGR、或者这 二者的组合物或混合物提供到发动机10用于燃烧。进气系统18还包括进气歧管30或 多个歧管，以接收燃烧流28和将燃烧流28分配到发动机气缸(未示出)。进气系统18 可选地还可包括其它进气系统装置，其在EGR进气导管20和发动机进气导管24的下 游并在进气歧管30的上游，如本文所述，包括EGR流22和强制吸入空气流26的冷却 器、和用于组合这些气流的混合器。参见图1，发动机10包括进气歧管30或多个歧管；和排气歧管32或多个歧 管32。发动机10还包括涡轮增压器14，涡轮增压器14包括包含在涡轮机壳体36中 的涡轮机34;和包含在压气机壳体40中的压气机40，用于压缩由箭头41所示的周围进 气空气并且产生加压、强制吸入空气流26以用于发动机10中的燃烧。进气空气流41在 涡轮增压器压缩过程中被加热，并可由通过等容冷却来增大进气空气的充量密度而对进 气空气流进行冷却以提高其体积效率。可通过将从涡轮增压器14排出的强制吸入空气流 26经由发动机进气导管24发送到涡轮增压器空气冷却器42而实现冷却，冷却器42也可 被称为中间冷却器或增压中冷器。涡轮增压器空气冷却器42可安装到发动机。然后， 强制吸入空气流26从涡轮增压器空气冷却器42通过发动机进气导管24和进气歧管30被 发送以分配到发动机10的各气缸。发动机10和强制吸入系统12还包括EGR系统16。EGR系统16包括EGR控 制阀46。EGR控制阀46通过EGR导管48与涡轮机壳体36流体连通并调节来自涡轮机 壳体36的作为EGR的排气的释放，如在本文中进一步所述。EGR控制阀46用作废气泄 放阀，并且被构造以从排气歧管32和相关联的导管33转移排气流52的一部分以用作通 过EGR导管48的EGR流22，否则这部分排气流会经由涡轮机蜗壳导管50 (见图6)通过涡轮机壳体36。EGR流22通过EGR导管出口 90 (图6)离开EGR导管48，并在出 口 90被发送至作为EGR系统16的一部分的EGR控制阀46。通过该阀的受控开启和关 闭，EGR流22在进气充量混合器56中与强制吸入空气流26混合。EGR系统16还可包 括EGR冷却器54或换热器，EGR冷却器54或换热器也可安装于发动机用于冷却通过该 系统的EGR流22。通过在EGR系统16中提供换热器，EGR冷却器54也可用于发动机 10的更大效率。EGR冷却器54还可包括旁通阀55，以在不需要或不希望进行冷却的阶 段中(例如在冷的发动机起动时)允许EGR流22绕过冷却器。通过或绕过EGR冷却器 54的EGR流22与已依序通过涡轮增压器空气冷却器42的强制吸入空气流26相组合而提 供强制吸入燃烧(空气或空气+EGR)流28。气体流22和26可使用进气充量混合器56 进行组合，以在所述流进入发动机10的进气歧管30之前提高燃烧流28的均勻性。强制 吸入系统12可在EGR控制阀46关闭时被操作而不影响涡轮增压器14的效率，且强制吸 入燃烧流28仅包括强制吸入空气流26。当EGR控制阀46被开启时，涡轮机34和涡轮 增压器14的效率降低，由此推动EGR流22进入强制吸入燃烧流28中，使得流28包括强 制吸入空气流26和EGR流28的混合物，如在此所述。通过使用可变EGR控制阀46， 可以控制涡轮增压器14的效率降低和强制吸入空气流26与EGR流28的混合。图1-9更详细地显示出涡轮机壳体36和使用所述壳体的涡轮增压器14的示例性 实施例。涡轮机壳体36可包括一个或多个安装法兰37，用于将壳体安装到发动机10。 涡轮机壳体36包括一个或多个涡轮机入口 76 ；壳体主体78，其包括涡轮机蜗壳75， 且涡轮机蜗壳75限定涡轮机蜗壳导管50和相关联的涡轮机蜗壳通道58 ；和涡轮机出口 80。壳体36还包括EGR导管入口 74，EGR导管入口 74与涡轮机蜗壳入口 82沿涡轮机 蜗壳导管50在径向上分开。参见图1-6，涡轮机壳体入口 76可直接附接到发动机10的排气歧管32或多个歧 管，或可通过附加排气导管(未示出)间接附接。一个或多个涡轮机入口 76可与入口导 管77的一个或多个支管92、94相关联。例如，在图1-6的实施例中，存在两个涡轮机 入口 76和合并成单一入口导管77的两个相应的支管92、94。涡轮机壳体入口 76可包 含在一个或多个安装法兰84中以用于可拆卸地附接，如所述，使用多个螺纹螺栓、夹或 类似物(未示出)。进入涡轮机壳体入口 76的排气流52(图6)在涡轮机蜗壳入口 82处 合并成流入涡轮机蜗壳导管50的单一排气流52中。参见图6，涡轮机蜗壳导管50具有 向内弯曲渐缩的涡轮机蜗壳通道58，例如螺旋形弯曲通道。由于涡轮机蜗壳通道58随 着远离涡轮机蜗壳入口 82而渐缩，如图7-9中所示，因而通道的横截面面积逐渐减小。 涡轮机蜗壳通道58的逐渐减小使得通道内的排气流52的速度逐渐增大。涡轮机蜗壳导 管50围绕涡轮60向内螺旋，涡轮60通过沿周向延伸的涡轮机喷嘴25与导管50和蜗壳 通道58流体连通。喷嘴25导引排气流52通过涡轮60上的涡轮机叶片(未示出)，排气 流52通过涡轮机导管出口 80被排放，由此使涡轮60和与其附接的涡轮机轴64旋转，进 而使附接到轴64的相对端的压气机轴66旋转。压气机轴66的旋转将空气吸入压气机进 气口 68中，空气然后随着通过压气机喷嘴(未示出)而被压缩并通过压气机蜗壳导管70 和压气机蜗壳导管出口 72而被排出作为强制吸入空气流26。参见图1和6-9，EGR导管入口 74通向被设置在EGR导管入口 74上方的涡轮 机壳体36上的EGR导管48。在图6的示例性实施例中，EGR导管48设置在EGR导管
10入口上方，并从作为涡轮机壳体36 —体部分的涡轮机蜗壳75沿切向向外延伸。EGR导 管48具有EGR导管通道86。EGR导管48可具有与EGR导管入口 74大致相似的尺寸 和形状、或横截面面积，以在涡轮机导管50与EGR导管48之间形成平滑过渡。可替代 地，EGR导管48具有的横截面面积可小于EGR导管入口 74的横截面面积。EGR导管 通道86和EGR导管入口 74可以具有足以提供预定EGR流22以及通过喷嘴25的预定排 气流的任何适合横截面面积以及相对于涡轮机蜗壳导管50和涡轮机蜗壳通道58的取向， 包括小于或等于EGR导管入口 74附近处的涡轮机蜗壳通道58横截面面积的EGR导管通 道86横截面面积。进一步，EGR导管通道86的横截面面积可沿其远离EGR导管入口 74的长度是相同的，或者可替代地可随远离EGR导管入口而逐渐渐缩或渐扩。在图6的 示例性实施例中，EGR导管48和EGR导管通道86的中心轴线49可与涡轮机蜗壳导管 50和涡轮机蜗壳通道58的中心轴线51大致相切和共面，以使EGR流22的损失最小化。 进一步，在此实施例中，EGR导管通道86的横截面面积可小于EGR导管入口附近处涡 轮机蜗壳通道58的横截面面积，以提供预定EGR流22并通过涡轮机喷嘴25预定排气流 52。EGR导管通道86和涡轮机蜗壳通道58应在尺寸上被设置以获得预定EGR流22和 强制吸入空气流26的减小，其中，EGR流22的压力大于强制吸入空气流26的压力，由 此提高强制吸入流28的预定EGR流22部分。EGR导管48还可包括在EGR导管出口 90的附近处的安装法兰88，用于使用多个螺纹螺栓、夹或类似物(未示出)而如本文所 述地可拆卸地附接到EGR进气导管20。EGR导管入口 74与涡轮机蜗壳入口 82沿涡轮机蜗壳导管50在径向上间隔开。 径向间隔可用在EGR导管入口 74和涡轮机蜗壳入口 82的中心之间的角度(α)来表征 (图6)。在示例性实施例中，所述间隔可在约80°至约270°之间。随径向间隔(α)增 大，涡轮机蜗壳通道58内的排气流52的速度增大，因而当EGR控制阀46开启时，EGR 流22的速度也增大。如在此所述，EGR控制阀46的开启也减少在涡轮机蜗壳导管50内 的排气流52，由此减少排气流52在涡轮60上的做功量并随之减小可由压气机轮66执行 的功，从而降低了可从涡轮增压器获得的压力或增压。如在此所述，增加EGR流22的 压力与减少强制吸入空气流26的平衡可用于增大可用于强制吸入燃烧流28中的EGR量 并提供强制吸入燃烧流28中的EGR预定量。EGR导管48和EGR导管入口 74的径向间 隔、取向、尺寸和其它方面可用于控制强制吸入燃烧流28中的EGR预定量。在图1-9的示例性实施例中，涡轮机喷嘴25是固定几何形状喷嘴。在其它示例 性实施例中，涡轮机喷嘴25可为可变几何形状喷嘴。喷嘴几何形状可以变化以控制涡轮 机蜗壳通道和相关联的上游导管(包括排气歧管)中的背压，其中，喷嘴开口减小使背压 增大，而喷嘴开口增大使背压减小。喷嘴几何形状和背压可通过各种致动器机构进行控 制。涡轮机壳体36及其上述部分可以以任意组合方式单独地制造、并组装到一起以 形成涡轮机壳体。可替代地，如在此所述的涡轮机壳体36可例如通过铸造壳体而形成为 一体的整体。用于涡轮机壳体36的适合材料包括各种等级的铸铁和钢以及铸铁和钢的各 种合金。进一步，壳体可接受任何适合的二次精加工，包括清洁、机加工和类似操作。参见图1-10，根据本发明又一示例性实施例，提供使用用于内燃发动机10的进 气系统18的方法100。方法100包括提供(110)具有涡轮增压器14的内燃发动机10，涡轮增压器14与所述发动机的进气歧管30流体连通并被构造成提供具有第一压力的强制 吸入空气流26。所述涡轮增压器14包括涡轮机壳体36，所述涡轮机壳体36包括涡轮 机蜗壳导管50。所述涡轮机蜗壳导管50具有涡轮机蜗壳入口 82和EGR导管入口 74，所 述EGR导管入口 74与所述蜗壳入口沿所述涡轮机蜗壳导管在径向上分开并通向被设置在 所述涡轮机壳体36上的EGR导管48。所述EGR导管48被构造成使EGR流22流体连 通到能够在开启位置与关闭位置之间切换的EGR控制阀46。通过EGR阀入口 45在EGR 控制阀46处接收EGR流22。EGR控制阀46的所述开启位置能够使具有第二压力的所 述EGR流22通过EGR阀出口 47流体连通到所述进气歧管30并限定第一操作模式，所 述关闭位置能够禁止从所述EGR导管48至所述进气歧管30的流体连通并限定第二操作 模式。在所述第一模式中，所述第二压力大于所述第一压力且流向所述发动机的EGR流 22被推进所述进气歧管30内。方法100还包括操作(120)所述发动机10产生所述涡 轮机蜗壳入口 82处的涡轮机蜗壳导管50中的排气流52。方法100还包括在操作所述 发动机的同时选择(130)所述第一模式或所述第二模式。所述选择(130)可使用诸如发 动机控制单元(ECU)之类的适合控制器(未示出)执行。在第一模式中，涡轮增压器的 效率和第一压力在将EGR流22提供到进气歧管30时减小。可选地，方法100还包括 选择(140)在所述涡轮机蜗壳入口 82与所述EGR导管入口 74之间的径向间隔以获得预 定EGR流22，如在此所述。可选地，所述EGR控制阀46是能够在所述开启位置、所述 关闭位置和所述开启位置与所述关闭位置之间的多个部分开启位置之间切换的可变EGR 控制阀，其中所述多个部分开启位置限定对应的多个操作模式；其中，所述方法进一步 包括选择(150)所述多个操作模式中的一个，其中在所述第一操作模式和所述多个操 作模式，所述第二压力大于所述第一压力，由此推进对应的多个EGR流进入所述进气歧 管。 虽然本发明已经参照示例性实施例进行描述，不过本领域技术人员应理解，在 不背离本发明的范围的情况下，可进行各种变化并可将其中的元件替换为等同物。此 外，在不背离本发明实质范围的情况下，可对本发明的教示进行多种修改以适应于具体 的情况或材料。因此，本发明实际上并不限于作为可想到的实施本发明的最佳模式而公 开的具体实施例，而是，本发明将包括处于本申请范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种涡轮增压器，包括涡轮机，其包括附接到涡轮机轴的涡轮，所述涡轮和涡轮机轴被可旋转地设置在 具有涡轮机蜗壳导管的涡轮机壳体中，所述涡轮机蜗壳导管具有涡轮机蜗壳入口和EGR 导管入口，所述EGR导管入口与所述涡轮机蜗壳入口沿所述涡轮机蜗壳导管在径向上间 隔开并通向被连接到所述涡轮机蜗壳导管的EGR导管，所述涡轮机蜗壳入口构造成使从 发动机接收的排气流体连通到所述涡轮，所述EGR导管构造成使所述排气流体连通到发 动机进气导管。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述EGR导管具有EGR导管轴线，所述 涡轮机蜗壳导管具有涡轮机蜗壳导管轴线，所述EGR导管轴线被设置为与所述涡轮机蜗 壳导管轴线大致相切。
3.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述EGR导管入口与所述涡轮机蜗壳入 口在径向上间隔开约80°至约270°的角度α。
4.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述EGR导管具有的横截面面积与所述 EGR导管入口附近处的所述涡轮机蜗壳导管的横截面面积大致相等。
5.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述EGR导管具有的横截面面积小于所 述EGR导管入口附近处的所述涡轮机蜗壳导管的横截面面积。
6.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述蜗壳导管和EGR导管构成一体的部件。
7.如权利要求6所述的涡轮增压器，其中，所述一体的部件包括金属铸件。
8.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述涡轮机进一步包括固定喷嘴或可变喷 嘴中的一种。
9.一种用于内燃发动机的进气系统，包括涡轮增压器，其包括涡轮机和压气机，所述涡轮机包括附接到涡轮机轴的涡轮， 所述涡轮和涡轮机轴被可旋转地设置在涡轮机壳体中，所述涡轮机壳体包括涡轮机蜗壳 导管，所述涡轮机蜗壳导管具有涡轮机蜗壳入口和EGR导管入口，所述EGR导管入口与 所述涡轮机蜗壳入口沿所述涡轮机蜗壳导管在径向上间隔开并通向被设置在所述涡轮机 壳体上的EGR导管，所述涡轮机蜗壳入口被构造成使从发动机接收的排气流流体连通到 所述涡轮，所述EGR导管被构造成使一部分所述排气流流体连通到发动机进气歧管；所 述压气机包括附接到所述涡轮机轴的压气机轮，所述压气机轮和涡轮机轴被可旋转地 设置在压气机壳体中，所述压气机壳体包括压气机蜗壳导管，所述压气机蜗壳导管具有 压气机蜗壳入口和压气机蜗壳出口，所述压气机蜗壳出口与所述发动机进气歧管流体连 通；EGR阀，其能够至少在开启位置与关闭位置之间切换并具有EGR阀入口和EGR阀出 口，所述EGR阀入口与所述EGR导管流体连通，所述EGR出口也与所述发动机进气歧 管流体连通，所述开启位置能够实现从所述EGR导管至所述发动机进气歧管的流体连通 并限定第一操作模式，所述关闭位置能够禁止从所述EGR导管至所述发动机进气歧管的 流体连通并限定第二操作模式，其中在所述第一模式中，来自所述EGR导管的EGR气体 流被推进所述发动机进气歧管内。
10.—种使用用于内燃发动机的进气系统的方法，包括提供具有涡 轮增压器的内燃发动机，所述涡轮增压器与所述发动机的进气歧管流体 连通并被构造成向所述进气歧管提供具有第一压力的强制吸入空气流，所述涡轮增压器 包括涡轮机壳体，所述涡轮机壳体包括涡轮机蜗壳导管，所述涡轮机蜗壳导管具有涡 轮机蜗壳入口和EGR导管入口，所述EGR导管入口与所述蜗壳入口沿所述涡轮机蜗壳导 管在径向上间隔开并通向被设置在所述涡轮机壳体上的EGR导管，所述EGR导管被构造 成使EGR流流体连通到能够在开启位置与关闭位置之间切换的EGR阀，所述开启位置能 够使具有第二压力的所述EGR流流体连通到所述进气歧管并限定第一操作模式，所述关 闭位置能够禁止从所述EGR导管至所述进气歧管的流体连通并限定第二操作模式，其中 在所述第一模式中，所述第二压力大于所述第一压力且流向所述发动机的EGR流被推进 所述进气歧管内；操作所述发动机产生进入所述涡轮机蜗壳入口中的排气流； 在操作所述发动机的同时选择所述第一模式或所述第二模式。
全文摘要
一种用于内燃发动机的涡轮增压器包括涡轮机，其包括附接到涡轮机轴的涡轮，涡轮和涡轮机轴被可旋转地设置在涡轮机壳体中，涡轮机壳体包括涡轮机蜗壳导管，涡轮机蜗壳导管具有涡轮机蜗壳入口和EGR导管入口，EGR导管入口与涡轮机蜗壳入口沿涡轮机蜗壳导管在径向上间隔开并通向被连接到涡轮机蜗壳导管的EGR导管。涡轮机蜗壳入口被构造成使从发动机接收的排气流体连通到涡轮，EGR导管被构造成使排气流体连通到发动机进气导管。涡轮增压器还包括压气机，压气机包括附接到涡轮机轴的压气机轴，压气机轮和涡轮机轴被可旋转地设置在压气机壳体中。
文档编号F02C6/12GK102022183SQ20101029334
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月21日 优先权日2009年9月22日
发明者C·E·威廉斯, R·M·特卡克 申请人:通用汽车环球科技运作公司